DE2617781C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelldüse für ein Gas­ turbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die hohe Geschwindigkeit, die den Austrittsgasen einer Gastur­ bine durch die Schubdüse gegeben wird, sorgt für den Antriebs­ schub. Dieser Schub ist im wesentlichen parallel zu und rich­ tungsmäßig entgegengesetzt zu den aus der Düse austretenden Ab­ gasen. Wenn also die Richtung der Austrittsgase verändert wird, ändert sich entsprechend die Richtung des Antriebsschubes. Üb­ licherweise sind Gasturbinentriebwerke von Flugzeugen mit in axialer Richtung feststehenden Düsen versehen, und die Manövrie­ rung des Flugzeuges wird allein durch Steuerflächen des Flug­ werkes bewerkstelligt.

Fortgeschrittenere Flugzeuge ermöglichen oder erfordern sogar die selektive Umlenkung oder Vektorierung des Schubes des Gas­ turbinentriebwerkes, um die Leistungsfähigkeit des Flugzeuges zu verbessern und um das Flugzeug mit Betriebscharakteristi­ ken zu versehen, die bisher für unnütz gehalten wurden. Wenn beispielsweise der Schub eines in üblicher Weise installier­ ten Gasturbinentriebwerkes nach unten, anstatt nach hinten, in eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Triebwerkes gerichtet würde, würde der dabei entstehende Hub­ schub für ein direktes Abheben des Flugzeuges und deshalb für ein vertikales Starten und Landen sorgen. In ähnlicher Weise kann die Schubumlenkung (Vektorierung) während des Fluges die Manövrierbarkeit des Flugzeuges stark verbessern, da die Schubkraft die Manövrierkräfte der Steuerflächen des Flugzeu­ ges verstärken kann, wie beispielsweise der Höhenruder, Quer­ ruder und Leitwerke. Um eine derartige Schubschwenkung zu er­ reichen, ist eine Vorrichtung erforderlich, die die Richtung der Schubdüsengase des Gasturbinentriebwerkes auf wirksame und praktische Weise zu ändern vermag.

Das Prinzip der Schubschwenkung selbst ist nicht neu, da Schubdüsen mit dieser Fähigkeit seit Jahren geplant und eine breite Vielfalt von Düsen mit schwenkbarem Schub entwickelt worden sind. Diese bekannten Düsen enthalten üblicherweise jedoch eine oder mehrere der folgenden Einschränkungen:

• diskontinuierliche Schwenkung zwischen dem Flug- und Hubbetrieb;
• Flugwerktüren sind erforderlich, um Schubumlenker bei wenigstens einer Betriebsart aufzunehmen;
• der verfügbare Hubschub ist klein im Vergleich zu dem erforderlichen zusätzlichen Gewicht zu dem Grundtrieb­ werk;
• übermäßige Komplexität teilweise aufgrund einer Viel­ zahl von Betätigungsgliedern;
• übermäßige abwärts gerichtete Verlängerungen im Hub­ betrieb, die zu Freiraumproblemen an der Erde führen; und
• langsame Änderung des Vektorwinkels und der Düsenfläche.

Das sich dem Gasturbinenkonstrukteur stellende Problem be­ steht deshalb darin, eine im Flug manövrierbare Schubdüse zu schaffen, die alle vorstehenden Einschränkungen vermei­ det.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verstelldüse mit einem einfach aufgebauten Betätigungssystem für die Schub­ schwenkung zu schaffen, wobei die Verstelldüse für eine kontinuierliche Schubschwenkung zwischen vertikalem Hub­ schub, Manövrierungsfähigkeit während des Fluges und übli­ chen Flugschub sorgen soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß erstens die konvergent-divergente Ein­ richtung und die an der Düsenunterseite befindliche Bauch­ klappe gleichzeitig gesteuert werden, um bei eingefahrenem Strömungsumlenker bei einer bestimmten Halsquerschnittsfläche eine effiziente externe Expansion der Schubströmung herbeizu­ führen, und zweitens mit dem Ausfahren des Strömungsumlenkers die Stellung der Bauchklappe gesteuert wird, um den Hals zu drehen. Diese wechselseitig abhängigen Bewegungsvorgänge wer­ den durch eine einfache Nockenanordnung sicher gesteuert.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein am Flügel montiertes Gasturbinentriebwerk mit dem Betätigungssystem gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht der Schubvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Reiseflugbetrieb.

Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht ähnlich wie Fig. 2 von einer am Flügel montierten Schubvorrichtung gemäß der vor­ liegenden Erfindung in einem vertikalen Startbetrieb.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Betätigungsvorrich­ tung gemäß der Erfindung in einem Reiseflugbetrieb.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Nachbrenner- oder Verstärkungsbetrieb.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einem ver­ tikalen Startbetrieb.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 4 der Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung in einem Zwi­ schenbetrieb oder einem kurzen Start- und Landebetrieb.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk gezeigt, das insgesamt mit 10 bezeichnet ist und das Betätigungssystem gemäß der Erfin­ dung enthalten kann. Heiße Verbrennungsgase werden durch eine nicht-gezeigte Turbine in bekannter Weise expandiert und treten von links in die Schubvorrichtung 12 ein, wie es durch den Vektor 14 gezeigt ist. Der hier verwendete Begriff "Schubvorrichtung" soll eine Fanströmungs-Schubdüse oder jede andere Schubdüse eines Gasturbinentriebwerkes umfassen, ob dieser nun ein Brenner in Reihenströmung vorgeschaltet ist oder nicht. Das in Fig. 1 ge­ zeigte Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes ist durch einen Nachbrenner 16 bekannter Bauart verstärkt. Nachdem sie durch die Schubvorrichtung 12 hindurchgeströmt ist, wird die Strömung von der Vorrichtung umgelenkt bzw. geschwenkt.

Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich ist, ist das gezeigte Schubsystem von dem externen Expansionstyp mit interner Düsen­ flächenänderung. Eine derartige Konfiguration kann beispielsweise passend in einen Flugzeugflügel 18 eingebettet werden, um ein aerodynamisch stromlinienförmiges Paket zu bilden und gleichzei­ tig für eine Integration zwischen der eine variable Geometrie auf­ weisenden Schubvorrichtung und dem Flügelklappensystem des Flug­ zeuges zu sorgen, um auf diese Weise jede Redundanz zu vermeiden.

Die Schubvorrichtung ist in der Weise gezeigt, daß sie zwei im wesentlichen gegenüberliegende Wände 22, 24 aufweist, deren innere Oberflächen 26 bzw. 28 teilweise einen Strömungspfad 30 für die Abgase bilden. Die Wand 22 wird ferner durch variable Düsenflä­ chen mit zusammenarbeitenden Düsenklappen 32, 34 gebildet, die jeweils an dem einen Ende 36 bzw. 38 an der Wand 22 angelenkt sind. Die anderen Enden sind durch eine Anordnung (s. Fig. 4) aus einer Rolle 40 und einer damit zusammenarbeitenden Kurven­ bahn 42 verbunden. Die Fläche der Schubströmungsbahn 30 wird so­ mit zum Teil durch das Anordnen der Düsenklappen gesteuert.

Die stromabwärts von den Düsenklappen angeordnet variable Flügel­ klappe 44 sorgt für ein Schwenkmanöver im Flug und weiterhin für eine Expansionssteuerung der Schubströmung. Wie dargestellt, bil­ det die Klappe 44 einen Teil der abströmenden Kante des Flügels 18, der ein Teil der Flugzeugstruktur ist. In anderen Ausführungsbei­ spielen kann die Klappe jedoch auch am Triebwerk oder am Rumpf montiert sein. Die Klappe 44 kann durch bekannte Betätigungsmit­ tel 48 betätigt werden. Eine Bauchklappe 46 mit variabler Fläche, die das stromabwärtige Ende der Wand 24 bildet, arbeitet mit den Düsenklappen 32 und 34 zusammen, um die Fläche des Schubströmungs­ pfades 30 zu steuern, und sie sorgt für eine Expanionssteuerung der Schubströmung. Weiterhin bildet, wie im folgenden näher er­ läutert wird, die Bauchklappe 46 eine Steuerung für die Düsenhals­ fläche beim vertikalen Starten und Landen und bei kurzen Start- und Landewegen.

Beim Betrieb für kurze Start- und Landewege (V/STOL) wird ein sich drehender haubenartiger Deflektor 52 verwendet, um die Schub­ strömung nach unten umzulenken. Der Deflektor 52 hat ein im we­ sentlichen U-förmiges Querschnittsprofil, wie es aus Fig. 3 deut­ lich wird, und besteht aus einem bogenförmigen Deflektorabschnitt 54, der von zwei Armen 56, 58 flankiert ist. Während des Reisefluges ( Fig. 1 und 2) ist der Deflektor 52 innerhalb der Seitenwand 22 verstaut, so daß er die aerodynamisch glatten Konturen des Strömungspfades 30 nicht beeinträchtigt. Somit beein­ flußt er nicht den hohen Wirkungsgrad der Reiseflugdüse und ver­ einfacht die Düsenkühlung während des Verstärkungsbetriebes (Nach­ verbrennung). Im V/STOL-Betrieb wird der Deflektor 52 um seine Schwenkverbindungen (von denen nur eine bei 60 gezeigt ist) in den Strömungspfad gedreht, um dadurch die Schubströmung nach unten zu richten.

In den Fig. 4 bis 7 ist eine verbesserte Betätigungsvorrichtung 62 schematisch gezeigt, die den Betrieb der konvergenten und diver­ genten Klappen 32 bzw. 34, der Bauchklappe 46 und des Deflektors 52 steuert.

In Fig. 4 ist zunächst die Düse und ein Ausführungsbeispiel der Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung für den Reiseflug ohne Schubschwenkung gezeigt. Es wird deutlich, daß die Düsenflächen­ steuerung (Steuerung der internen Fläche der Strömungsbahn 30) durch Verändern der konvergenten und divergenten Klappen 32 bzw. 34 erfolgt, die, worauf bereits hingewiesen wurde, mittels einer An­ ordnung aus einer Rolle 40 und einer Nockenbahn 42 verbunden sind. Der Düsenhals, der schematisch bei 63 a gezeigt ist, wird somit im Reiseflug teilweise durch den bogenförmigen Abschnitt 64 der di­ vergenten Klappe 34 begrenzt, da dies der Bereich mit minimaler Querschnittsfläche ist. Das Vorderende der konvergenten Klappe 32 ist an einer Antriebswelle 66 befestigt, die mittels hydraulischer Betätigungsglieder 68 (das System ist auf jeder Seite der Schub­ düse dupliziert) positioniert wird und die Kurbelarme 70 antreibt, die an jedem Ende der Antriebswelle 66 fest angebracht und durch Stifte mit Kolbenstangen 72 bei 74 verbunden sind. Zwar ist ein hydraulisches Betätigungsglied 68 gezeigt, es können selbstver­ ständlich aber auch andere Typen von Betätigungsgliedern verwen­ det werden.

Die Bauchklappe 46 muß mit dem Düsendruckverhältnis während des Reisefluges verändert werden, um für eine effiziente externe Ex­ pansion der Düsenströmung zu sorgen. Diese Änderung wird gleich­ zeitig mit der Änderung der Klappen 32 und 34 mittels eines Nockenantriebsmechanismus durchgeführt. Der Kurvenkörper 76 ist an dem Kurbelarm 70 für die Düsenfläche angeformt oder daran be­ festigt und weist eine Oberfläche (in dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel bogenförmig) 78 auf, die die geometrischen Ortspunkte bil­ det, die zum geplanten Einstellen der Bauchklappe 46 in einer vor­ bestimmten Relation erforderlich sind. Wenn der Kurbelarm 70 und der Kurvenkörper 76 durch das Betätigungsglied 68 gedreht werden, arbeiten der Nockenfolger 80 und die Schubstange 82 zusammen, um die Bauchklappe 46 durch den Hebel 86 zu positionieren, der eine Verlängerung der Bauchklappe 46 bildet und der bei 88 mit der Schubstange 82 verbunden ist. Der Nockenfolger 80 und die Schub­ stange 82 sind bei 83 bzw. 84 mit einem Kniehebel 90 verbunden (die Schubstange 82, der Kniehebel 90 und der Hebel 86 bilden eine Gestängeanordnung.) Dies gestattet, daß das System im wesent­ lichen um eine Zapfenverbindung 92 schwenkt, die an einem nicht­ bewegbaren Abschnitt der Düse 12 befestigt ist. Somit wird deut­ lich, daß der vorstehend beschriebene Mechanismus, der gleichzei­ tig die interne Fläche der Strömungsbahn 30 und die Position der Bauchklappe 46 steuert, eine selbständige und integrale Steuer­ einrichtung bildet, die eine wesentliche verminderte Anzahl von Betätigungsgliedern im Vergleich zu bekannten Düsen mit Schubum­ kehr aufweist.

Fig. 5 zeigt die Düse und die Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer anderen Betriebsart als in Fig. 4. Fig. 5 ist typisch für die Konfiguration, die für einen Flug mit Nachverbrennung (oder Verstärkung) stromaufwärts von der Düse er­ forderlich ist, wie es schematisch bei 16 in Fig. 1 gezeigt ist. Bei einem derartigen Betrieb müssen die Düsenhalsfläche (angege­ ben bei 63 b) und die externe Schubexpansionsgeschwindigkeit ver­ größert werden. Durch Bedienung der Betätigungsvorrichtung 68, um die Kolbenstange 72 zu verlängern, werden die konvergierende Klappe 32 und die damit zusammenarbeitende divergierende Klappe 34 nach oben gedreht durch Bewegen des Antriebskurbelarmes 70 und der Antriebswelle 66. Gleichzeitig damit wird der Kurvenkörper 76 gedreht, damit sich der Nockenfolger 80 und die Schubstange 82 nach oben bewegen können. Dies bewirkt eine Drehung der Bauch­ klappe 46 um ihre Schwenkverbindung 94 mit der Wand 24 in Uhr­ zeigerrichtung, wodurch die Abgasexpansion vergrößert wird. Ein Zurückziehen der Kolbenstange 72 bewirkt, daß die Betriebsfolge sich umkehrt. Somit wird deutlich, daß für jede erforderliche Düsenfläche die richtige Bauchklappenposition bestimmt und auto­ matisch gesteuert wird.

Es wird nun auf die Fig. 6 und 7 eingegangen, in denen schema­ tisch zwei Betriebszustände mit Schubschwenkung gezeigt sind. Fig. 6 zeigt die Düsen beim vertikalen Starten, während Fig. 7 einen Betriebszustand für kurze Start- und Landewege (STOL) zeigt. In beiden Fällen ist der Deflektor 52 betätigt worden, in Fig. 7 in einem geringeren Ausmaß. Somit würde in Fig. 6 der Schubvektor im wesentlichen senkrecht nach oben für ein reines Abheben verlaufen, während in Fig. 7 der Schubvektor eine gewisse Vorwärtskomponente haben würde.

Es wird für wünschenswert gehalten, die Position der Bauchklappe 46 mit der Deflektordrehung zu verändern, um eine konstante Hals­ fläche beizubehalten, wenn der Deflektor 52 über den Schubschwen­ kungsbereich gedreht wird. Ein zweiter Nockenmechanismus sorgt für diese Bewegung. Eine Halsflächennocke 96 ist am Seitenteil 56 des Deflektors 52 befestigt. Indem wiederum nur die eine Seite der Düse betrachtet wird, muß die Nocke 96 derart geformt bzw. konturiert sein, daß sie die geometrischen Ortspunkte liefert, die zum Positionieren der Bauchklappe 46 bei Schubschwenkung durch eine noch zu beschreibende Gestängeanordnung notwendig sind.

Die Nocke 96 greift an dem Nockenfolger 98 (der seinerseits an dem Kniehebel 100 befestigt ist) an, wenn der Deflektor unter der Wirkung des hydraulischen Betätigungsgliedes 102 und der Kol­ benstange 104 nach unten gedreht wird. Die Kolbenstange 104 ist an dem Deflektor 52 an dem Vorsprung 106 auf dem Seitenteil 56 verbunden. Wenn der Nockenfolger 98 der Nocke 96 folgt, muß sich der Kniehebel 100 um seine Schwenkverbindung 108 mit einem sta­ tionären Teil der Düse 12 drehen. An dem Kniehebel 100 ist bei 110 ein Gelenkhebel 112 befestigt, der seinerseits mit dem Hebel 86 bei 114 und dem Kniehebel 100 verbunden ist, wobei der Gelenk­ hebel 112 und der Hebel 86 eine andere Gestängeanordnung bilden. Dadurch wird die Bauchklappe 46 positioniert, wie es zur Steue­ rung der Düsenhalsfläche 63 c (die zwischen der Bauchklappe 46 und dem Deflektor 52 gebildet ist) und zur Maximierung des Schubes über dem Schubschwenkungsbereich erforderlich ist.

Wie in Fig. 4 für den Reisebetrieb gezeigt ist, ist die Hals­ flächennocke 96 von dem Nockenfolger 98 getrennt, um nicht den Betrieb der Bauchklappe 46 durch das Verstellen des Betätigungs­ gliedes 68 zu beeinträchtigen. In ähnlicher Weise sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, während der Verstellung des Deflektors 52 zum Hubbetrieb die konvergenten und divergenten Klappen 32 bzw. 34 bis zu ihrer maximalen Position geöffnet. Bei einer Drehung des Deflektors 52 bleibt die Nocke 76 fest im Raum stehen, so daß die Hauptsteuerung der Bauchklappe 46 durch die Nocke 96 er­ folgt. In der Tat ist im STOL-Betrieb gemäß Fig. 7, wo der De­ flektor 52 nur teilweise verstellt ist, die Nocke 76 von dem Nockenfolger 80 getrennt. Der STOL-Betrieb ist eine Zwischenbe­ triebsart zwischen dem Hubbetrieb gemäß Fig. 6 und dem Flugbe­ trieb gemäß Fig. 4 und zeigt den Hals 63 d in einer teilweise gedrehten Position. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 6 die Kolbenstange 72 vollständig ausgefahren ist und für eine ma­ ximale Fläche innerhalb der Düse sorgt. Der Hals wird mit der Deflektorrotation gedreht, so daß die Gasströmung stromaufwärts von dem Hals bei einer Geschwindigkeit gedreht wird, die wesent­ lich kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, wodurch ein ernst­ hafter Druckverlust bei der Drehung vermieden wird. Das Betäti­ gungssystem gemäß der Erfindung sorgt für die erforderlichen glatten geometrischen Übergänge bei einer kleineren Anzahl von Betätigungsgliedern. Somit schafft die Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung eine Steuerung (die im wesentlichen aus dem Betätigungsglied 102, der Nocke 96, dem Nockenfolger 98, dem Kniehebel 100, dem Gestängehebel 112 und dem Hebel 86 besteht), die ein Drehen des Deflektors 52 und ein gleichzeitiges Positio­ nieren der Bauchklappe 46 gestattet, um so einen Hals zwischen der Bauchklappe 46 und dem Deflektor 52 zu bilden und weiterhin ein Drehen des Halses mit der Deflektorrotation zu gestatten.

Eine derartige Betätigungseinrichtung sorgt auch (über eine wei­ tere Steuereinrichtung, die im wesentlichen aus dem Betätigungs­ glied 68, dem Antriebshebel 70, der Nocke 76, dem Kniehebel 90, dem Nockenfolger 80, der Schubstange 82 und dem Hebel 86 besteht) für eine Steuerung der Düsenfläche und der Schubströmungsexpan­ sion beim Reiseflugbetrieb (verstärkt oder unverstärkt).

Claims (4)

1. Verstelldüse für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer einen Hals aufweisenden Schubströmungsbahn, einer einstellbaren konvergent-divergenten Einrichtung, die teilweise eine erste Begrenzungswand der Strömungsbahn bildet, einem Strö­ mungsumlenker, der zwischen einer eingefahrenen Position außerhalb der Schubströmungsbahn und einer ausgefahrenen Position verstellbar ist, in der er eine weitere Begrenzung der Schubströmungsbahn darstellt, und mit einer Stellklappe an der Schubdüsenunterseite, die teilweise eine zweite Be­ grenzungswand der Strömungsbahn bildet, gekennzeichnet durch eine erste Stelleinrichtung (68) für die konvergent-divergente Ein­ richtung (32, 34) mit einer ersten Nocke (76), die mit einem mit der Stellklappe (46) verbundenen Nockenfolger (80) in Eingriff bringbar ist und die Stellklappe (46) für eine effektive externe Expansion der Schubströmung in Ver­ bindung mit der konvergent-divergenten Einrichtung (32, 34) einstellt, und eine zweite Stelleinrichtung (102) zum Ein­ stellen des Strömungsumlenkers (52) mit einer zweiten, mit dem Strömungsumlenker (52) verbundenen Nocke (96) und einem zweiten, mit der Stellklappe (46) verbundenen Nockenfolger (98), wobei die zweite Nocke (96) zunächst mit dem zweiten Nockenfolger (98) außer Eingriff ist, wenn der Strömungs­ umlenker (52) eingefahren ist, und dann mit dem zweiten Nockenfolger (98) in Eingriff kommt und die Steuerung der Stellklappe (46) durch den ersten Nockenfolger (80) über­ lagert, wenn der Strömungsumlenker (52) ausgefahren ist.

2. Verstelldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hals (63) zwischen einer ersten Stellung, die teilweise durch die konvergent-divergente Einrichtung (32, 34) begrenzt ist, und einer zweiten Stellung einstellbar ist, die teilweise durch den Strömungsumlenker (52) und die Stellklappe (46) begrenzt ist.

3. Verstelldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergent-divergente Einrichtung (32, 34) zwei zusam­ menarbeitende, verstellbare Klappe aufweist.

4. Verstelldüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nocke (76) mit der konvergenten Klappe (32) ver­ bunden ist.